DE4231311A1 - Ascertaining transmission channel pulse response - filtering received test signal to eliminate noise component before evaluation - Google Patents
Ascertaining transmission channel pulse response - filtering received test signal to eliminate noise component before evaluationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchfüh rung dieses Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device for implementation tion of this procedure.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung eines solchen Ver fahrens und einer solchen Einrichtung liegt bei Pulsradar systemen.A particularly advantageous application of such a ver driving and such a facility lies with pulse radar systems.
Radarsysteme können als Einrichtungen zur Impulsantwort schätzung betrachtet werden. Der Radarsender sendet ein pulsförmiges Signal aus. Dieses durchläuft einen Kanal und gelangt zum Radarempfänger. Aus dem Empfangssignal, das aus dem erwünschten Signal und aus einem additiven Rausch signal besteht, soll die Impulsantwort des Kanals ge schätzt werden. Die Impulsantwort wird bestimmt durch die reflektierenden Objekte, die vom ausgesandten Signal ge troffen werden und die dieses zum Empfänger zurückstreuen. Durch Interpretation der geschätzten Impulsantwort kann man deshalb Informationen über Ort, Größe und Art der reflektierenden Objekte erhalten.Radar systems can act as impulse response devices estimate. The radar transmitter is transmitting pulse-shaped signal. This runs through a channel and reaches the radar receiver. From the received signal that from the desired signal and from an additive noise signal exists, the impulse response of the channel should be ge be appreciated. The impulse response is determined by the reflective objects from the emitted signal be hit and who scatter this back to the recipient. By interpreting the estimated impulse response therefore information about the location, size and type of get reflective objects.
Das Erzielen hoher Genauigkeit bei der Impulsantwort schätzung erfordert große Bandbreite und hohe Energie der gesendeten Impulse. Hohe Impulsenergie soll hierbei mit möglichst geringer Spitzenleistung der Senderendstufe erreicht werden, um den Senderaufwand klein zu halten. Die genannten Forderungen lassen sich bekanntlich durch Verwendung expandierter Impulse großen Zeit-Bandbreite- Produkts erfüllen.Achieving high accuracy in impulse response Estimation requires wide bandwidth and high energy sent impulses. High pulse energy is said to be involved the lowest possible peak power of the transmitter output stage be achieved in order to keep the transmitter effort small. As is known, the requirements mentioned can be met Use of expanded impulses large time-bandwidth- Product.
Das Systemmodell, von dem die Erfindung ausgeht, zeigt Fig. 1, worin mit 1 ein Sender, mit 2 ein Übertragungs kanal, mit 3 ein Addierglied und mit 4 ein Empfänger bezeichnet ist. Allen auf eine Meßbandbreite B bandbe grenzten Signalformen wird im folgenden eine Folge von äquidistanten zeitdiskreten Abtastwerten im äquivalenten Tiefpaßbereich zugeordnet. Komplexe skalare Größen werden durch Unterstreichen gekennzeichnet. Matrizen und Vektoren sind in Fettdruck dargestellt. Die Symbole (.)* bzw. (.)T bedeuten konjugiert komplex bzw. transponiert.The system model from which the invention is based is shown in FIG. 1, wherein 1 denotes a transmitter, 2 a transmission channel, 3 an adder and 4 a receiver. All signal forms limited to a measurement bandwidth B bandbe are assigned a sequence of equidistant, time-discrete samples in the equivalent low-pass range. Complex scalar quantities are identified by underlining. Matrices and vectors are shown in bold. The symbols (.) * And (.) T mean conjugate complex or transposed.
Der expandierte SendeimpulsThe expanded send pulse
ª = (ª₁, ª₂ . . . ªN)T, (1)ª = (ª₁, ª₂... ª N ) T , (1)
der Länge N am Ausgang des Senders 1 nach Fig. 1 gelangt über den Übertragungskanal 2 mit der Impulsantwortthe length N at the output of the transmitter 1 according to FIG. 1 passes through the transmission channel 2 with the impulse response
x = (x₁, x₂ . . . x M)T, (2) x = ( x ₁, x ₂... x M ) T , (2)
bestehend aus M Entfernungstoren, denen jeweils eine komplexe Reflektivität x i i=1 . . . M, zugeordnet wird. Mit dem additiven Rauschenconsisting of M distance gates, each of which has a complex reflectivity x i i = 1. . . M is assigned. With the additive noise
n = (n₁, n₂ . . . n M+N-1)T, (3) n = ( n ₁, n ₂... n M + N-1 ) T , (3)
das durch das Addierglied 3 eingespeist wird, und der Toeplitz-Matrixwhich is fed by the adder 3 , and the Toeplitz matrix
berechnet sich das Empfangssignal zuthe received signal is calculated
e = (e₁, e₂ . . . e M+N-1)T = A x + n, (5) e = ( e ₁, e ₂ ... e M + N-1 ) T = A x + n , (5)
wobei A x die diskrete Faltung des expandierten Impulses ª mit der Impulsantwort x beschreibt.where A x describes the discrete convolution of the expanded impulse ª with the impulse response x .
Das bereits in der DE-PS 7 68 068 beschriebene und in der heutigen Praxis ausschließlich angewandte Prinzip der Signalverarbeitung im Empfänger 4 zur Lösung des Entfal tungsproblems bei der Bestimmung der Impulsantwort x aus dem Empfangssignal e bei a-priori bekanntem expandierten Sendeimpuls ª beruht auf der Filterung des Empfangssignals e mit einem auf den expandierten Sendeimpuls ª signalange paßten Filter (matched filter). Am Ausgang des als digi taler Korrelator implementierbaren signalangepaßten Fil ters ergibt sich der SchätzwertThe principle of signal processing in the receiver 4, already described in DE-PS 7 68 068 and exclusively used in today's practice, for solving the development problem in determining the impulse response x from the received signal e at an a priori known expanded transmission pulse ª is based on the Filtering of the received signal e with a filter matched to the expanded transmit pulse ª (matched filter). The estimated value is obtained at the output of the signal-matched filter which can be implemented as a digital correlator
MF = A*T e = (A*T A) x + A*T n (6) MF =A*T e = (A*T A)x +A*T n (6)
der Kanalimpulsantwort x. Zum Berechnen des Schätzwertes MF sind M·N komplexe Multiplikationen auszuführen. Bei allen realen expandierten Impulsen ª verfälschen die Korrelationsnebenmaxima der Autokorrelationsfunktion als die Elemente außerhalb der Hauptdiagonalen der Matrix A*T A in Gleichung (6) die Schätzung MF der Impulsantwort x. Solche Verfälschungen können zur Vortäuschung nicht vor handener Ziele oder zur Maskierung von Korrelationshaupt spitzen aufgrund schwach reflektierender Ziele durch Korrelationsnebenmaxima aufgrund stark reflektierender Ziele führen. Deshalb muß man sich bisher auf die Verwen dung expandierter Impulse beschränken, die auf geringe Korrelationsnebenmaxima gezüchtet sind. Eine solche Be schränkung ist hinderlich, wenn signalformagile Radar systeme realisiert werden sollen, bei denen man aus einer möglichst großen Klasse expandierter Impulse auswählen möchte. Auch mit gezielt signalfehlangepaßten Filtern (mismatched filter) können die schädlichen Korrelationsne benmaxima bei einem um den Fehlanpassungsverlust geringe ren Signal-Stör-Verhältnis (SNR) am Filterausgang nur verringert und damit die mit den Korrelationsnebenmaxima verbundenen Probleme bei der Kanalschätzung nur gemildert werden.the channel impulse responsex. To calculate the estimate MF M · N complex multiplications are to be carried out. At all real expanded impulses ª falsify the Correlation secondary maxima of the autocorrelation function as the elements outside the main diagonals of the matrixA*T A in equation (6) the estimate MF the impulse responsex. Such falsifications cannot be used to fake objectives or to mask the main correlation peak through due to weakly reflective targets Correlation secondary maxima due to highly reflective Lead goals. So you have to focus on the use so far limit the expansion of impulses that are low Correlation secondary maxima are grown. Such a Be Restriction is a hindrance when radar is signal-agile systems are to be realized in which one can build from one select the largest possible class of expanded impulses would like to. Also with specifically mismatched filters (mismatched filter) can remove the harmful correlation benmaxima with a small loss due to the mismatch signal-to-noise ratio (SNR) at the filter output only reduced and thus with the correlation secondary maxima related problems in channel estimation only mitigated become.
Eine vorteilhafte Alternative zur signal(fehl)angepaßten Filterung ist die im Aufsatz von T. Felhauer, F. Voigt, F.W. Baier und A. Mämmelä: "Die Optimalschätzung als vor teilhafte Alternative zur Korrelation in Radarsystemen mit expandierten Impulsen" in der Zeitschrift "AEÜ", Vol. 46, 1992, Seiten 32 bis 37 beschriebene erwartungstreue Opti malschätzung. Am Ausgang eines erwartungstreuen Optimal schätzers für unkorreliertes Rauschen n ergibt sich mit Gleichung (4) der SchätzwertAn advantageous alternative to signal (mismatched) filtering is the one in the article by T. Felhauer, F. Voigt, FW Baier and A. Mämmelä: "The optimal estimate as an advantageous alternative to the correlation in radar systems with expanded pulses" in the magazine "AEÜ"", Vol. 46, 1992, pages 32 to 37 described unbiased optimal estimate. At the output of an optimal estimator for uncorrelated noise n , equation (4) gives the estimated value
os = (A*T A)-1 A*T e = x + (A*T A)-1 A*T n (7) os = (A*T A)-1 A*T e =x + (A*T A)-1 A*T n (7)
Nach Gleichung (7) kann der Schätzwert os in den wahren Wert der Kanalimpulsantwort x und in einen additiven Rauschanteil minimaler Varianz separiert werden und wird deshalb als optimaler erwartungstreuer Schätzwert bezeich net. Der Preis für die dank der Erwartungstreue vollstän dige Elimination der Korrelationsnebenmaxima ist eine im Vergleich zur signalangepaßten Filterung für eine große Klasse expandierter Impulse geringe SNR-Degradation.According to equation (7), the estimated value os in the real Value of the channel impulse responsex and into an additive Noise component of minimal variance can be separated therefore referred to as the optimal, true-to-expect estimate net. The price for the complete thanks to the expectations The elimination of the correlation secondary maxima is an im Comparison to signal-matched filtering for a large one Class of expanded impulses, low SNR degradation.
Der Algorithmus der erwartungstreuen Oprimalschätzung nach Gleichung (7), bei dem das Empfangssignal e mit einer M×(M + N-1) SchätzmatrixThe algorithm of the unbiased estimate according to equation (7), in which the received signal e has an M × (M + N-1) estimation matrix
M = [m ÿ] = (A*T A)-1 A*T (8) M = [ m ÿ ] = ( A * T A ) -1 A * T (8)
multipliziert wird, kann unter Verwendung eines digitalen Korrelators nach Fig. 2 mitcan be multiplied using a digital correlator according to FIG
L = 2 M + N-1 (9)L = 2 M + N-1 (9)
zeitvarianten Tap-Koeffizienten w i(k), i=1 . . . L, am Eingang von L Multiplizierern 6 und mit L-1 Verzögerungs elementen 5 sowie einem Summierglied 7 implementiert werden. Den Schätzwert os nach Gleichung (7) am Ausgang 8 des Korrelators erhält man, wenn sich die Tap-Koeffizien ten w i(k) gemäß den Elementen m ÿ in den unterschiedlichen Zeilen der Schätzmatrix M nach Gleichung (8) ändern. Zur Berechnung des Schätzwertes os sind somit M · (M + N-1) komplexe Multiplikationen auszuführen. Ist die Anzahl M der Entfernungstore der Kanalimpulsantwort x sehr viel größer als die Länge N des expandierten Impulses ª, was in Pulsradarsystemen häufig der Fall ist, so ist mit der erwartungstreuen Optimalschätzung ein im Vergleich zur signalangepaßten Filterung deutlich größerer Rechenaufwand verbunden. time-variant tap coefficientsw i(k), i = 1. . . L, on Input of L multipliers6 and with L-1 delay elements5 and a summing element7 implemented become. The estimate os according to equation (7) at the exit8th of the correlator is obtained when the tap coefficients tenw i(k) according to the elementsm ÿ in different Rows of the estimation matrixM change according to equation (8). For Calculation of the estimate os are thus M · (M + N-1) perform complex multiplications. Is the number M the distance gates of the channel impulse responsex very much greater than the length N of the expanded pulse ª, which in Pulse radar systems is often the case with the an optimal estimate in comparison to the signal-adapted filtering significantly more computing effort connected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur hochauflösenden Kanalschätzung für Übertra gungssysteme, insbesondere Pulsradarsysteme, mit expan dierten Impulsen auf der Basis der erwartungstreuen Opti malschätzung zu schaffen, dessen Rechenaufwand bei an nähernd gleicher Genauigkeit des Schätzwertes der Kanal impulsantwort deutlich geringer ist als bei der erwar tungstreuen Optimalschätzung nach Gleichung (7).The invention has for its object a novel Procedure for high-resolution channel estimation for transmissions systems, especially pulse radar systems, with expan impulses based on the expected expectations To create a painting estimate, the computational effort at approximately the same accuracy of the estimated value of the channel impulse response is significantly lower than that of the expected The best estimate according to equation (7).
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out in a generic method by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved.
Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah rens und eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.Appropriate developments of the inventive method rens and an advantageous device for carrying out of the method are in the further claims specified.
Im folgenden wird die ein Verfahren und eine Einrichtung zur aufwandsgünstigen hochauflösenden Kanalschätzung betreffende Erfindung anhand von Figuren erläutert.The following is a procedure and a setup for cost-effective high-resolution channel estimation relevant invention explained with reference to figures.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Darstellung des bereits erläuterten System modells, Fig. 1 is an illustration of the system already described model,
Fig. 2 die bereits beschriebene bekannte Möglichkeit zur Implementierung eines erwartungstreuen Optimal schätzers, FIG. 2 estimator known way to implement a loyal expected Optimal already described,
Fig. 3 die Separierung des erwartungstreuen Optimalschät zers in signalangepaßtes Filter und Nebenmaximal- Reduktionsfilter, Fig. 3, the separation of the unbiased optimum contemptuous in decomp matched filter and Nebenmaximal- reduction filter,
Fig. 4 die aufwandsgünstige suboptimale Möglichkeit nach der Erfindung zur Implementierung der erwartungs treuen Optimalschätzung, Fig. 4, the low-complexity sub-optimal way according to the invention for implementing the expectation true optimal estimation,
Fig. 4a die Autokorrelationsfunktion zu Fig. 4, Fig. 4a, the autocorrelation function of FIG. 4,
Fig. 4b die Korrelationsfunktion zu Fig. 4, FIG. 4b shows the correlation function of FIG. 4,
Fig. 5 eine typische Kanalimpulsantwort x in Pulsradar systemen, Fig. 5 shows a typical channel impulse response x in pulse radar systems,
Fig. 6a, b, c die Schätzwerte MF, I, II, Fig. 6a, b, c the estimates MF,I.,II,
Fig. 7 nachgefilterte Bereiche des Schätzwerts II, Fig. 7 filtered ranges of the estimate II,
Fig. 8 der resultierende Schätzwert als Überlagerung des Schätzwerts I und dem nachgefilterten Schätz wert II, Fig. 8 the resulting estimate as an overlay of the estimateI. and the post-filtered estimate valueII,
Fig. 9 die Signal-Stör-Verhältnis (SNR)-Degradation d(L) abhängig von der Filterlänge L für einen Frank-Code der Länge N = 36, Fig. 9, the signal-to-noise ratio (SNR) Degradation d (L) dependent on the filter length L for a Frank code of length N = 36,
Fig. 10 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur aufwandsgünstigen hochauflösenden Kanalschätzung. Fig. 10 is a block diagram of a device for the implementing of the method for high-resolution low-cost channel estimation.
Um einen tieferen Einblick in die erwartungstreue Optimal schätzung zu erhalten und um einen anschaulichen Vergleich mit der signalangepaßten Filterung zu ermöglichen, ist in Fig. 3 der erwartungstreue Optimalschätzer 9 in die beiden Funktionsblöcke signalangepaßtes Filter 10 und Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 separiert dargestellt.In order to obtain a deeper insight into the optimal estimate that is true to expectations and to enable a clear comparison with the signal-adapted filtering, FIG. 3 shows the optimal estimate 9 that is true to expectations in the two function blocks signal-adapted filter 10 and secondary maximum reduction filter 11 .
Das signalangepaßte Filter 10 maximiert zunächst das Signal-Stör-Verhältnis γmax an dessen Ausgang 12, während das Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 die störenden Korrelationsnebenmaxima im Schätzwert MF eliminiert. Der Preis für diese Elimination der Korrelationsnebenmaxima ist ein am Ausgang 13 des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 im Vergleich zum maximierten Signal-Stör-Verhältnis γmax um die SNR-Degradation d verringertes Signal-Stör-Ver hältnis γa. Die erwartungstreue Optimalschätzung stellt somit eine Erweiterung der Theorie der konventionellen signalangepaßten Filterung dar. Da jedoch im allgemeinen alle Elemente v ÿ der Matrix (A*T A)-1 von Null verschieden sind, ist die Implementierung des Nebenmaxima-Reduktions filters 11 mit sehr großem Aufwand verbunden. Eine auf wandsgünstige Möglichkeit zur Implementierung des Neben maxima-Reduktionsfilters 11 wird bei Betrachtung der unab hängig vom expandierten Impuls typischen Struktur der Ma trix (A*T A)-1 offensichtlich, die approximativ Toeplitz- strukturiert ist, d. h. alle Elemente in einer jeweiligen Diagonalen sind approximativ gleich, und bei der die Be träge | v ÿ | der Elemente v ÿ mit zunehmendem Abstand von der Hauptdiagonalen stark abnehmen.The matched filter10th first maximizes that Signal-to-interference ratio γMax at the exit12th, while the secondary maximum reduction filter11 the disruptive Correlation secondary maxima in the estimate MF eliminated. Of the Price for this elimination of the correlation secondary maxima is one at the exit13 of the secondary maximum reduction filter11 compared to the maximized signal-to-noise ratio γMax Signal-Stör-Ver reduced by the SNR degradation d ratio γa. The optimal estimate, which is true to expectations thus an extension of the theory of conventional matched filtering. However, since in general all elementsv ÿ the matrix (A*T A)-1 different from zero are, the implementation of the secondary maximum reduction filters11 associated with very great effort. One on Wall-friendly way to implement the secondary maxima reduction filter11 when considering the independent depending on the expanded impulse typical structure of the Ma trix (A*T A)-1 obviously, the approximate Toeplitz is structured, d. H. all elements in a respective Diagonals are approximately the same, and the Be sluggish |v ÿ | of the elementsv ÿ with increasing distance from of the main diagonals decrease sharply.
Approximiert man die Matrix durch eine ideal Toeplitz strukturierte Matrix, wobei z. B. die Elemente der mittle ren Zeile der Matrix (A*T A)-1 die Elemente in den jeweili gen Diagonalen der ideal Toeplitz-strukturierten Matrix bestimmen, und berücksichtigt man dabei nur die L betrags mäßig größten Elemente um die Hauptdiagonale der Matrix (A*T A)-1 so kann das Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 aufwandsgünstig suboptimal mit einem digitalen Korrelator nach Fig. 2 mit jedoch L zeitinvarianten Tap-KoeffizientenIf the matrix is approximated by an ideally structured Toeplitz matrix, z. B. the elements of the middle row of the matrix ( A * T A ) -1 determine the elements in the respective diagonals of the ideal Toeplitz-structured matrix, and taking into account only the L elements with the largest amounts around the main diagonal of the matrix ( A * T A ) -1 , the secondary maximum reduction filter 11 can be suboptimally inexpensive with a digital correlator according to FIG. 2, but with L time-invariant tap coefficients
implementiert werden. Fig. 4 verdeutlicht dies am Beispiel eines Barker Codes der Länge N gleich 13 als expandierter Sendeimpuls ª. Als Antwort auf einen einzelnen expandier ten Impuls ª erhält man am Ausgang des signalangepaßten Filters 10 die in Fig. 4a dargestellte Autokorrelations funktion. Diese Autokorrelationsfunktion wird mit einem Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11, dessen L gleich 50 Koeffizienten gemäß Gleichung (9) aus der mittleren Zeile der Matrix (A*T A)-1 gewählt werden, gefiltert, so daß sich die in Fig. 4b dargestellte Korrelationsfunktion am Ausgang dieses Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 ergibt. Bei der Berechnung der Matrix (A*T A)-1 wurde von M gleich 500 Entfernungstoren der zu schätzenden Kanalimpulsantwort x ausgegangen.be implemented. Fig. 4 illustrates this using the example of a Barker code of length N equal to 13 as an expanded transmission pulse ª. In response to a single expanded pulse ª obtained at the output of the matched filter 10, the autocorrelation function shown in Fig. 4a. This autocorrelation function is filtered with a secondary maximum reduction filter 11 , whose L is equal to 50 coefficients selected according to equation (9) from the middle line of the matrix ( A * T A ) -1 , so that the correlation function shown in FIG Output of this secondary maximum reduction filter 11 results. When calculating the matrix ( A * T A ) -1 , M was assumed to equal 500 distance gates of the channel impulse response x to be estimated.
Neben einer Verringerung der Korrelationsnebenmaxima, die auch bei bekannten ähnlichen Verfahren auftritt, weist jedoch die Korrelationsfunktion (Fig. 4b) am Ausgang eines gemäß Gleichung (10) spezifizierten Nebenmaxima-Reduk tionsfilters 11 eine Besonderheit auf, die für die folgen den Überlegungen von grundlegender Bedeutung ist. Diese Besonderheit ist der unabhängig vom gewählten expandierten Sendeimpuls immer auftretende nebenmaximafreie Bereich um die Korrelationshauptspitze. Die Breite Δ dieses Bereichs kann bei einem beliebigen expandierten Impuls der Länge N allein durch die Anzahl L der Tap-Koeffizienten des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 gemäßIn addition to a reduction in the correlation secondary maxima, which also occurs in known similar methods, the correlation function ( FIG. 4b) at the output of a secondary maximum reduction filter 11 specified according to equation (10) has a special feature which is of fundamental importance for the following considerations is. This special feature is the area around the main correlation peak, which always occurs regardless of the selected expanded transmission pulse. The width Δ of this range can be determined in accordance with any expanded pulse of length N solely by the number L of the tap coefficients of the secondary maximum reduction filter 11
Δ = L-(2N-1) + 1 (11)Δ = L- (2N-1) + 1 (11)
variiert werden. Dieser nebenmaximafreie Bereich tritt immer dann auf, wenn die gesamte zu filternde Autokorre lationsfunktion (Fig. 4a) am Ausgang des signalangepaßten Filters 10 innerhalb des als digitaler Korrelator implementierbaren Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 ist.can be varied. This secondary maximum-free area always occurs when the entire autocorrection function to be filtered ( FIG. 4a) is at the output of the signal-adapted filter 10 within the secondary maximum reduction filter 11 that can be implemented as a digital correlator.
Aufgrund einer komplexen Reflektivität x i berechnet sich bei additivem unkorreliertem Rausch n mit der Kovarianz matrixDue to a complex reflectivity x i , the additive uncorrelated noise n is calculated using the covariance matrix
R n = E(n n*T) = σ²n | (12) R n = E ( n n * T ) = σ² n | (12)
das maximale Signal-Stör-Verhältnis am Ausgang des signalangepaßten Filters 10 zuthe maximum signal-to-noise ratio at the output of the matched filter 10
Abhängig von der Anzahl L der Tap-Koeffizienten w i des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 berechnet sich der Nutzanteil aufgrund der i-ten komplexen Reflektivität x i im i-ten Entfernungstor zuDepending on the number L of the tap coefficients w i of the secondary maximum reduction filter 11 , the useful portion is calculated on the basis of the i-th complex reflectivity x i in the i-th distance gate
Bezeichnet man die Elemente der Matrix A*T A mit bÿ, i, j=1 . . . M, wobei die Elemente b ÿ die Korrela tionen zwischen den Rauschwerten am Ausgang des signal angepaßten Filters 10 beschreiben, so läßt sich die Varianz des Rauschanteils im i-ten Entfernungstor am Ausgang des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 zuThe elements of the matrix A * T A are denoted by b ÿ , i, j = 1. . . M, the elements b ÿ describing the correlations between the noise values at the output of the signal-matched filter 10 , the variance of the noise component in the i-th distance gate at the output of the secondary maximum reduction filter 11 can be
berechnen. Mit Gleichung (14) und Gleichung (15) berechnet sich das Signal-Stör-Verhältnis im i-ten Entfernungstor am Ausgang des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 zuto calculate. Equation (14) and equation (15) are used to calculate the signal-to-interference ratio in the i-th distance gate at the output of the secondary maximum reduction filter 11
Abhängig von der Anzahl L der Tap-Koeffizienten w i des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 berechnet sich die SNR- DegradationThe SNR degradation is calculated depending on the number L of the tap coefficients w i of the secondary maximum reduction filter 11
zuto
Die SNR-Degradation d(L) nach Gleichung (18) ist somit der Preis, den man für die Unterdrückung der Korrelationsne benmaxima durch das Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 zahlen muß.The SNR degradation d (L) according to equation (18) is thus the price that must be paid for the suppression of the correlation ne benmaxima by the secondary maximum reduction filter 11 .
Die in Fig. 4 erkennbaren Korrelationsnebenmaxima am Ausgang des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 entstehen ausschließlich während des Ein- bzw. Auslaufens der zu filternden Autokorrelationsfunktion (Fig. 4a) in das bzw. aus dem Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11. Die Höhe dieser Korrelationsnebenmaxima ist neben der Anzahl L der Tap- Koeffizienten des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 im Gegensatz zur Breite des nebenmaximafreien Bereichs auch stark von der Wahl des expandierten Impulses ª abhängig.The correlation secondary maxima recognizable in FIG. 4 at the output of the secondary maximum reduction filter 11 arise exclusively during the entry or exit of the autocorrelation function to be filtered ( FIG. 4a) into or out of the secondary maximum reduction filter 11 . In addition to the number L of the tap coefficients of the secondary maximum reduction filter 11, the level of these secondary correlation maxima is also strongly dependent on the choice of the expanded pulse ª, in contrast to the width of the region free of secondary maxima.
Für den folgenden Algorithmus zur hochauflösenden Kanal schätzung sind die Korrelationsnebenmaxima, die beim Ein- und Auslaufen des zu filternden Signals in das Nebenmaxi ma-Reduktionsfilter 11 entstehen, ohne Bedeutung. Der Algorithmus nutzt lediglich den unabhängig vom gewählten expandierten Impuls stets auftretenden nebenmaximafreien Bereich um die Korrelationshauptspitze sowie die Informa tion aufgrund des als Zwischenschätzwert interpretierbaren Schätzwertes MF am Ausgang des signalangepaßten Filters 10. Weiterhin zeichnen sich in Pulsradarsystemen die zu schätzenden Kanalimpulsantworten x typischerweise durch einzelne Gruppen von eng benachbarten nichtverschwindenden Reflektivitäten aus. Fig. 5 zeigt den Betrag einer in Pulsradarsystemen typischen Kanalimpulsantwort, bestehend aus M gleich 500 Entfernungstoren, wobei lediglich in neun Entfernungstoren nichtverschwindende Reflektivitäten auf treten. Diese nichtverschwindenden Reflektivitäten sind als zwei Gruppen mit jeweils vier Reflektivitäten sowie eine Einzelreflektivität angeordnet.For the following algorithm on the high-resolution channel Estimation are the correlation secondary maxima that and leakage of the signal to be filtered into the secondary maxi ma reduction filter11 arise without meaning. Of the The algorithm only uses that regardless of the one selected expanded impulse always occurring side-maximum free Area around the main correlation peak as well as the informa tion based on what can be interpreted as an intermediate estimate Estimate MF at the output of the matched filter 10th. Furthermore, in pulsed radar systems estimating channel impulse responsesx typically through individual groups of closely neighboring non-vanishing Reflectivities.Fig. 5 shows the amount of one in Pulse radar systems typical channel impulse response, consisting 500 distance gates from M, but only in nine Distance gates on non-vanishing reflectivities to step. These are non-vanishing reflectivities as two groups with four reflectivities each a single reflectivity arranged.
Wird ein Frank Vielphasencode der Länge N gleich 36 als expandierter Impuls ª verwendet, so ergibt sich bei einem eingangsseitigen Signal-Stör-Abstand ae von 35 dB der in Fig. 6a dargestellte Schätzwert MF am Ausgang eines signalangepaßten Filters 10. Durch die störenden Korre lationsnebenmaxima werden die fünf kleinsten Reflektivitä ten maskiert, so daß lediglich die vier größten Reflekti vitäten detektiert werden können. Weiterhin kann der Schätzwert MF leicht in einen Teil I in dem die stören den Schätzfehler rein stochastischer Natur sind, siehe Fig. 6b, und in einen Teil II, in dem die störenden Schätzfehler hauptsächlich durch Korrelationsnebenmaxima bedingt sind, siehe Fig. 6c, separiert werden.If a Frank multiphase code of length N is equal to 36 as expanded momentum ª is used, so for input-signal-to-noise ratio ae of 35 dB the in Fig. 6a MF at the exit of a matched filter10th. Through the annoying corrections lation secondary maxima become the five smallest reflectivities ten masked so that only the four largest reflections vities can be detected. Furthermore, the Estimate MF easily in one part I. in which they interfere the estimation errors are of a purely stochastic nature, see Fig. 6b, and in part IIin which the disturbing Estimation errors mainly due to correlation secondary maxima are conditional, seeFig. 6c.
Dem Teil I gehört auch die detektierte Einzelreflektivi tät an, da die Korrelationsnebenmaxima aufgrund dieser Reflektivität unterhalb des durch den eingangsseitigen Signal-Stör-Abstand ae sowie den Prozeßgewinn pmax be stimmten Rauschpegel am Ausgang des signalangepaßten Fil ters 10 liegen und somit nicht stören. Eine Nachfilterung von i ist somit nicht sinnvoll. Im Gegensatz dazu können durch die Korrelationsnebenmaxima im Teil II weitere Reflektivitäten maskiert sein, was eine Nachfilterung von II sinnvoll macht. Der Teil II kann weiterhin in zwei Bereiche separiert werden, die unabhängig voneinander nachgefiltert werden können. Da diese Bereiche bekannter Länge als Ganzes vorliegen, kann das Ein- und Auslaufen dieser Bereiche in das nach Gleichung (10) spezifizierte Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 vermieden werden.The part I. belongs also to the detected single reflectives act because the correlation secondary maxima due to this Reflectivity below that through the input side Signal-to-noise ratio ae as well as the process gain pMax be were the noise levels at the output of the signal-adapted fil ters10th lie and therefore not disturb. Post-filtering from i is therefore not useful. In contrast, you can by the correlation secondary maxima in the part II Further Reflectivities must be masked, which is a post-filtering of II makes sense. The part II can continue in two Areas are separated that are independent of each other can be filtered. Because these areas are more well known Length as a whole, the entry and exit can be of these ranges into that specified in equation (10) Secondary maximum reduction filter11 be avoided.
Wird bei einer Länge Lx des zu filternden Bereichs von II die Anzahl L der Tap-Koeffizienten des Nebenmaxima-Re duktionsfilters 11 zuIf the length is Lx of the range of to be filtered II the number L of the tap coefficients of the secondary maxima Re production filter11 to
L = 2 Lx (19)L = 2 L x (19)
gewählt, so kann gewährleistet werden, daß der zu filtern de Bereich von II während der Lx Taktschritte zum Berech nen des nachgefilterten Schätzwertes stets vollständig in nerhalb des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 bewegt wird, und damit die Korrelationsnebenmaxima eliminiert werden. Fig. 7 zeigt II nach einer Filterung der einzelnen Berei che mit dem nach Gleichung (10) und Gleichung (19) spezi fizierten Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11. Fig. 8 zeigt den resultierenden Schätzwert der Kanalimpulsantwort als Überlagerung des ungefilterten Bereiches und des nachge filterten Bereiches. Man erkennt, daß nun sämtliche Re flektivitäten eindeutig detektiert werden können.selected, it can be ensured that the filter range of II during the Lx Cycle steps for calc of the post-filtered estimate is always completely in within the secondary maximum reduction filter11 is moved, and thus the correlation secondary maxima are eliminated. Fig. 7 shows II after filtering the individual areas che with the speci. according to equation (10) and equation (19) secondary maximum reduction filter11.Fig. 8 shows the resulting estimate of the channel impulse response as Overlay of the unfiltered area and the post filtered area. It can be seen that all Re flexibility can be clearly detected.
Während im Teil I maximaler Prozeßgewinn pmax vorliegt, tritt in den nachgefilterten Bereichen von II abhängig von der zur Nachfilterung erforderlichen Anzahl L der Tap- Koeffizienten nach Gleichung (18) die SNR-Degradation d(L) nach Gleichung (18) auf. In Fig. 9 ist die SNR-Degradation d(L) für einen Frank Code der Länge N gleich 36 über der normierten Filterlänge L/N aufgetragen. Mit den Längen Lx1 gleich 103 und Lx2 gleich 72 können den entsprechenden Bereichen von II mit Gleichung (19) und Fig. 9 die SNR- Degradationen d(Lx1) gleich 1,6 dB und d(Lx2) gleich 1,85 dB zugeordnet werden.While in part I. maximum process gain pMax is present occurs in the filtered areas of II dependent of the number L of tapes required for post-filtering Coefficients according to equation (18) the SNR degradation d (L) according to equation (18). InFig. 9 is the SNR degradation d (L) for a Frank code of length N equal to 36 over the normalized filter length L / N. With the lengths Lx1 equal to 103 and Lx2 72 can match the corresponding Areas of II with equation (19) andFig. 9 the SNR Degradations d (Lx1) equal to 1.6 dB and d (Lx2) equal 1.85 dB can be assigned.
Der nachfolgenden Tabelle ist die Anzahl der komplexen Multiplikationen für die jeweiligen Schätzalgorithmen zur Bestimmung eines Schätzwertes angegeben.The table below is the number of complex Multiplications for the respective estimation algorithms Determination of an estimated value given.
Für das Beispiel nach Fig. 6 bis 8 konnte die Anzahl der komplexen Multiplikationen zur Berechnung eines quasi nebenmaximafreien Schätzwertes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur hochauflösenden Kanalschätzung von 267500 bei erwartungstreuer Optimalschätzung auf 33793 oder 12,6% reduziert werden. Im Vergleich zur signalangepaßten Filterung wird eine deutlich verbesserte Dynamik durch einen geringen Mehraufwand erreicht. Da der nebenmaxima freie Bereich im Ausgangssignal des Nebenmaxima-Reduk tionsfilters 11 unabhängig vom gewählten expandierten Impuls auftritt, ist der Systemdesigner bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur hochauflösenden Kanal schätzung nicht länger auf eine kleine Klasse speziell gezüchteter expandierter Impulse mit guten Korrelations eigenschaften beschränkt. Die daraus resultierende Signal formvielfalt ist besonders interessant, wenn ein signal formagiles Pulsradarsystem realisiert werden soll.For the example according to FIGS. 6 to 8, the number of complex multiplications for calculating a quasi-secondary maxima-free estimated value could be reduced to 33793 or 12.6% with the inventive method for high-resolution channel estimation from 267500 with optimal expectations. Compared to the signal-adapted filtering, a significantly improved dynamic is achieved through a little additional effort. Since the side maxima free area in the output signal of the side maxima reduction filter 11 occurs independently of the selected expanded pulse, the system designer is no longer restricted to a small class of specially bred expanded pulses with good correlation properties when using the method according to the invention for high-resolution channel estimation. The resulting variety of signal shapes is particularly interesting if a signal-formable pulse radar system is to be implemented.
Im folgenden wird anhand von Fig. 10 eine vorteilhafte Einrichtung zur Implementierung des Verfahrens zur aufwandsgünstigen hochauflösenden Kanalschätzung nach der Erfindung beschrieben.An advantageous device for implementing the method for cost-effective high-resolution channel estimation according to the invention is described below with reference to FIG. 10.
Das Empfangssignal e gelangt zunächst auf ein in konven tionellen Radarempfängern bereits vorhandenes signalange paßtes Filter 10. Der Schätzwert MF am Ausgang 12 des signalangepaßten Filters 10 wird durch eine von einer Steuerlogik 18 gesteuerte Schwellwertschaltung 14 in einen nicht weiter zu filternden Teil I am Ausgang 16 und in einen durch störende Korrelationsmaxima verfälschten Teil II am Ausgang 15 separiert. Der durch die Länge N des expandierten Impulses festgelegte Prozeßgewinn pmax des signalangepaßten Filters 10 und der eingangsseitige Signal-Stör-Abstand γe bestimmen den zur Separierung notwendigen Rauschpegel am Ausgang 12 des signalangepaßten Filters 10. Die Teile I bzw. II werden zunächst in digitalen Speichern 19 bzw. 17 zwischengespeichert. Die einzelnen Bereiche von II werden nun sequentiell nachge filtert. Hat ein Bereich von II die Länge Lx, so werden die ersten 2·Lx Tap-Koeffizienten w i des als digitaler Korrelator implementierbaren Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 gemäß Gleichung (9) aktiviert. Der zu filternde Bereich der Länge Lx von II wird in die ersten Lx Speicherzellen eines Schieberegisters 22 geladen. Während den folgenden Lx Taktschritten wird der zu filternde Bereich von II mit den zuvor durch die Steuerlogik 18 aktivierten Tap-Koeffi zienten w i, i=1 . . . 2Lx, korreliert. Am Ausgang 20 eines Summiergliedes 7 ergibt sich dabei der von störenden Kor relationsnebenmaxima befreite Bereich des nachgefilterten Teiles II. Der zur Nachfilterung verwendete digitale Korrelator (Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11) besteht aus einem Schieberegister 22 mit 2M Speicherzellen, 2M Multi plizierern 6 zum Einspeisen der maximal 2M aktivierten Tap-Koeffizienten w i und dem Summierglied 7. Die maximale Anzahl von 2M Tap-Koeffizienten wird jedoch nur aktiviert, falls der gesamte Schätzwert am Ausgang 12 des signalange paßten Filters 10 durch störende Korrelationsnebenmaxima verfälscht ist, d. h. wenn MF gleich II ist. Nachdem alle Bereiche von II nachgefiltert wurden, wird im digitalen Speicher 19 durch Überlagerung von I mit dem nachgefil terten Teil II der resultierende Schätzwert ermittelt und am Ausgang 21 ausgegeben.The receive signale first comes to a in convents tional radar receivers already available suitable filter10th. The estimate MF at the exit12th of matched filter10th is replaced by one by one Control logic18th controlled threshold switching14 in a part not to be further filtered I. at the exit16 and in a part falsified by disturbing correlation maxima II at the exit15 separated. The by the length N of the expanded momentum process gain pMax of matched filter10th and the input side Signal-to-noise ratio γe determine the one for separation necessary noise level at the output12th of the matched signal Filters10th. The parts I. respectively. II are first in digital storage19th respectively.17th cached. The individual areas of II are now sequentially followed up filters. Has a range of II the length Lx, so be the first 2 · Lx Tap coefficientsw i the digital one Correlator implementable secondary maximum reduction filter 11 activated according to equation (9). The area to be filtered the length Lx from II is in the first Lx Memory cells a shift register22 loaded. During the following Lx The area to be filtered is incremented by II With the one previously through the control logic18th activated Tap Koeffi targetedw i, i = 1. . . 2Lx, correlated. At the exit20th one Adding element7 this results in that of annoying Kor relationsnebenmaxima freed area of the filtered Part II. The digital used for post-filtering Correlator (secondary maximum reduction filter11) consists a shift register22 with 2M memory cells, 2M Multi plice6 to feed the maximum 2M activated Tap coefficientsw i and the summing element7. The maximal Number of 2M tap coefficients is only activated, if the total estimate at the exit12th of the signalange matched filters10th due to disturbing correlation secondary maxima is adulterated, d. H. if MF equal II is. After all Areas of II have been filtered, is in digital Storage19th by overlaying I. with the follow-on part II the resulting estimate determined and at the exit21 spent.
Die zur Nachfilterung maximal benötigten 2M Tap-Koeffi zienten können für den verwendeten expandierten Sendeim puls a-priori off-line berechnet und in einem der digita len Speicher 17 oder 19 abgelegt werden. Da die Genauig keit des Schätzwertes am Ausgang 21 der Einrichtung nach Fig. 10 nur noch in geringem Maße von den Korrelations eigenschaften des expandierten Sendeimpulses abhängt, kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft in signalformagilen Radarsystemen angewendet werden, da der Systemdesigner bei der Wahl der expandierten Impulse nicht mehr auf eine Klasse von speziell gezüchteten Signalformen beschränkt ist. In einem signalformagilen Radarsystem müs sen für alle verwendeten expandierten Impulse die entspre chenden 2M Tap-Koeffizienten gemäß Gleichung (10) off-line berechnet und in einem digitalen Speicher im Empfänger abgelegt werden. Bei Anwendung der erwartungstreuen Optimalschätzung nach Gleichung (7) müßte dagegen für jeden verwendeten expandierten Impuls eine komplette Schätzmatrix M mit M·(M + N-1) Elementen im Empfänger abgespeichert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit nicht nur wesentlich aufwandsgünstiger (siehe die vorher bereits erläuterte Tabelle), sondern auch sehr viel speichereffizienter implementierbar als die erwartungs treue Optimalschätzung.The maximum 2M tap coefficients required for post-filtering can be calculated a-priori off-line for the expanded transmission pulse used and stored in one of the digital memories 17 or 19 . Since the accuracy of the estimated value at the output 21 of the device according to FIG. 10 depends only to a small extent on the correlation properties of the expanded transmission pulse, the method according to the invention can be used particularly advantageously in signal-formable radar systems, since the system designer chooses the expanded pulses is no longer limited to a class of specially bred waveforms. In a signal-formable radar system, the corresponding 2M tap coefficients must be calculated off-line according to equation (10) for all the expanded pulses used and stored in a digital memory in the receiver. In contrast, if the optimal estimate according to equation (7) is used, a complete estimation matrix M with M · (M + N-1) elements would have to be stored in the receiver for each expanded pulse used. The method according to the invention is thus not only significantly less expensive (see the table already explained above), but also can be implemented much more memory-efficiently than the optimal estimate that is true to expectations.
Durch eine geringfügige Modifikation der Steuerlogik 18 kann mit der Einrichtung nach Fig. 10 auch erreicht wer den, daß jeweils nur Reflektivitäten besonders interessie render Entfernungstore ohne systematische Fehler aufgrund von Korrelationsnebenmaxima und damit mit größter Genauig keit geschätzt werden. Eine solche Modifikation wäre in einem Zielverfolgungsradar von besonderer Bedeutung, wo die Entfernung von Objekten durch den Verfolgungsalgorith mus in einem bestimmten Bereich a-priori bekannt ist.By a slight modification of the control logic 18 can also be achieved with the device according to FIG. 10 who the that only reflectivities of particular interest render distance gates without systematic errors due to correlation secondary maxima and thus be estimated with the greatest accuracy. Such a modification would be of particular importance in a target tracking radar, where the distance of objects by the tracking algorithm is known a priori in a certain area.
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